導電棒刷光機動力頭的設備研究

王斌，孫東明，郭一行

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

鎳作為一種儲備豐富的金屬，被廣泛應用于軍事、航天等領域。我國鎳礦資源豐富，截止到2019 年，我國鎳儲備為280 萬t，排在世界第8位[1]。在電解精煉金屬鎳時，導電棒作為一個電解過程中的重要工件，對電解鎳的效率起了非常大的作用。導電棒的材質為紫銅空心圓棒，由于在空氣中發生化學反應，首先會在導電棒表面生成一層氧化物；同時，電解槽中注入新電解液的管道口離導電棒近，導致硫酸鎳電解液飛濺到導電棒上形成硫酸鎳結晶；換極人員用天車吊出殘極時，也會不慎將電解液滴到導電棒上形成硫酸鎳結晶。在鎳電解槽上的導電棒每使用6 天左右，導電棒表面會出現附著物，這層附著物會降低導電棒導電能力，增加電耗，最終會降低電解鎳的質量，并且在有大電流通過導電棒時，會使導電棒表面溫度急劇上升，產生大量的熱量，容易發生安全事故。所以對導電棒表面進行處理對電解工藝有著較為重要的意義。

最初是采用人工來處理導電棒表面的附著物，由于機械制造業的快速發展，開始設計和制作各種機械化設備來代替人工[2]。我國現有的導電棒表面清潔機器還是20 世紀70 年代的電動晃管機[3]，電動晃管機需要人工作業，手動將大量導電棒分批次投入到裝有稻殼的電動晃光機中，電動晃管機在轉動的過程中依靠稻殼與導電棒、導電棒與導電棒的相互摩擦切削將導電棒表面附著物處理干凈。這種電動晃管機不僅自動化程度低，還有效率低下、工作環境惡劣、稻殼運輸成本過高等問題，已經嚴重影響到了工廠的發展。本文根據無心磨削理論的相關知識對導電棒表面清理裝置進行結構設計，利用ANSYS/LS-DYNA仿真確定刷絲的相關參數，并根據實驗確定刷光機的刷削參數。

1 試驗模型的設計及工作原理

1.1 刷光輥的確定

刷光輪按其制作方法和形狀，可分為成組的輻射刷光輪、波形輻射刷光輪、短絲密排輻射刷光輪、杯形刷光輪、普通寬面刷、條形寬面刷和小型刷光輪[4]。

在具體加工時，對刷光輪及刷光參數的選擇要視零件的材料、性質和具體技術指標而定。在本文中，需要對點鎳導電棒進行表面清理，刷掉銅導電棒棒表面附著物，屬于冶金生產線的表面清理。而條形寬面刷即用于冶金工廠的板材表面清理，故選用條形寬面刷作為電鎳導電棒刷光機的刷光輥類型。

刷光軸的直徑計算公式為[5]

式中：d——計算截面處軸的直徑，mm；P——軸傳遞的功率，kW；[τ]——許用剪切應力，MPa；n——軸的轉速，r/min。

軸的材質選擇Q235 碳素鋼，許用剪切應力為15 MPa。軸轉速過大會產生較大機械振動，轉速小則不能將導電棒表面清理干凈，結合金屬切削與磨削主動輪轉速，確定最高轉速為1 200 r/min。將實際生產中的電機功率P=37 kW 代入，求得最小直徑d=46.72 mm，故軸徑取50 mm。將刷光輥軸整體直徑定為100 mm。導電棒長度為1 355 mm，刷光輥長度應大于導電棒長度，所以刷光輪長度定為1 400 mm。

1.2 旋轉方式的確定

清洗設備借鑒無心外圓磨削進行結構設計，這種類型的機器可用于清洗各種軸類、桿件、管件外圓表面清洗，是棒狀工件進行表面清理的最佳選擇。

在無心外圓磨削中，導輪起著至關重要的作用，導輪的直徑尺寸和旋轉速度都比磨削輪要小，工件與導輪之間的摩擦力較大，所以工件被導輪帶動并與導輪成相反方向旋轉[6]。當導電棒表面進行清理時，需要導電棒依靠外力自身繞軸心做旋轉運動，在這里也選用摩擦旋轉的驅動方式，摩擦原理如圖1 所示。摩擦輪的放置方式為對稱排列，一側為主動輪，相當于無心磨削中的導輪作用，而另一側為從動輪，相當于無心磨削中托板的作用。跟無心磨削不同的是，導輪軸心線在垂直面內沒有傾斜角度，僅利用導輪摩擦棒體，使從動輪與主動輪一起支撐導電棒做摩擦旋轉運動，而沒有縱向進給運動。摩擦旋轉驅動方式特點是結構簡單，可靠性高，但轉速過高，導電棒會出現打滑現象，需要較長時間才能與導輪具有相同的線速度。為節省清理時間，導輪轉速不宜過快。

1.3 導電棒刷光動力頭設計

導電棒刷光動力頭為刷光機的主要執行部件，目的在于完成刷光任務。在電鎳導電棒刷光的過程中，將導電棒置于導輪上，主運動為刷光輥的旋轉運動，由電機帶動導輪使導電棒的旋轉方向與刷光輪相反，再通過氣缸使導電棒上升，相對于刷光輪做徑向進給運動，直至導電棒與刷光輪具有一定的接觸，從而達到去除電鎳導電棒表面附著物的目的，其結構如圖2 所示。

圖2 導電棒刷光機主要結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of main structure of conductive rod brushing machine

由刷光機工作原理可知，整個表面清理過程實現了自動化運行，能夠高效完成導電棒表面清理工作，與現有清理方式相比，極大地減輕了工人的勞動強度，也降低了工廠生產成本。

2 刷絲參數的仿真分析

2.1 ANSYS/LS-DYNA 分析過程

鋼絲刷在現實生活中通常應用于鋼材業或鋁業表面處理，由一系列的刷輥安裝在全自動高速運轉的刷光機上，對金屬進行表面清洗處理。因為表面刷光處理實質上是用金屬絲側鋒對金屬基體表面進行切削，所以刷毛常用鋼絲來制作。市面上鋼絲刷所用鋼絲普遍有碳鋼或者不銹鋼。綜合以上，本次模擬仿真中，對45 號鋼、60 號鋼、70 號鋼以及304 不銹鋼的力學性能進行分析，并選出適當的刷毛材料。

2.1.1 前處理建模

由已知參數可知，刷光軸采用Q235 碳素鋼，長度為1 400 mm，直徑為50 mm；導電棒全長1 355 mm，外徑35 mm，內徑28 mm。在仿真分析中，一般都會對幾何模型做一定程度的簡化處理，以提高分析效率。在本次仿真研究中，主要對單根鋼絲劃過導電棒的過程進行分析，導電棒和刷光軸建立直徑分別為35 mm 和50 mm、寬度均為20 mm 的圓柱體，將鋼絲固定在刷光軸上。假定鋼絲直徑為1 mm，鋼絲自由長度為50 mm，壓入量為1 mm。在CATIA 三維建模軟件中建好如圖3 所示的模型。

圖3 單根刷毛三維模型Fig.3 3D model of single brush wire

2.1.2 定義材料

本節主要研究的是不同材質的鋼絲刷過導電棒表面時鋼絲的力學性能。由于鋼絲在刷削時可以出現彎曲回彈，近似于懸臂梁，所以在設置單元特性時，將鋼絲設置成BEAM161 梁單元，導電棒和刷光軸均設置成SOLID164 實體單元。

在仿真模型中，導電棒選用的材料為紫銅，鋼絲材質分別為45 號鋼、60 號鋼、70 號鋼和304 不銹鋼，其材料參數如表1 所示。鋼絲設置為各向同性彈性材料，比較各個材料的應力峰值。

表1 材料參數Tab.1 Material parameters

2.1.3 網格劃分及定義接觸

將在三維建模軟件CATIA 中畫的模型導入到ANSYS/LS-DYNA 中，劃分網格時賦予各個part 材料屬性。刷光軸的主要作用就是帶動鋼絲繞x 軸進行轉動，采用自動劃分網格的方式，生成四面體網格；鋼絲和導電棒采用掃掠網格劃分方法，生成六面體網格，如圖4 所示。

圖4 網格模型Fig.4 Mesh model

檢查網格無錯誤后定義接觸關系，在顯示動力學中，定義鋼絲與導電棒為自動接觸，在接觸分析中，由于問題的復雜性，判斷接觸發生的方向有時是很困難的，因此分析中應盡量使用自動接觸；定義鋼絲與刷光軸之間為固連接觸，將鋼絲固連在刷光軸上。

2.1.4 加載和求解

模擬某一時刻下鋼絲劃過導電棒的過程，鋼絲存在初始角速度，假定轉速為60 r/min，繞著刷光軸模型的x 軸轉動，載荷加在剛體刷光軸上。設置終止時間為0.07 s，時間步長相關系數設置為0.9。完成設置后，向ANSYS/LS-DYNA 求解器提交求解。

2.1.5 后處理及結果分析

對4 種鋼絲材質的刷絲采用相同的網格、接觸、加載類型和分析設置，僅改變材料的屬性參數進行4 次分析，將4 次計算結果文件導入到LS-PREPOST 中進行后處理，得到鋼絲劃過導電棒的最大應力如圖5 所示。

圖5 4 種鋼絲材料最大等效應力云圖Fig.5 Maximum equivalent stress cloud diagram of four steel wire materials

4 種鋼絲材質的刷毛達到應力峰值的時間差不多，達到的應力峰值各不相同。表2 給出了不同材質刷毛的應力峰值對比。

表2 不同材質鋼絲的應力峰值Tab.2 Stress peaks of steel wires of different materials

由表2 可以看出，刷毛材質為鋼材，質量較大，在旋轉中所獲得的動能也較大，適合金屬絲側鋒將雜質從導電棒上切削去除。4 種材料的鋼絲中，密度相近，所以質量差不多相同，由于屈服應力不同，所得出的安全系數也不同，70 號鋼是4 種材料鋼絲中安全系數最高的，硬度以及強度相對較好。本著經濟、高效的原則，選擇安全系數較高的70 號鋼絲作為電鎳導電棒刷光機的刷絲材料。

2.2 刷絲直徑的確定

對刷毛直徑的仿真分析中，取在上一節中確定的70 號鋼絲作為刷毛材料，取刷毛長度為50 mm，直徑分別取0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 mm。在相同的仿真設置方法下，將計算結果文件導入到HyperView 中進行后處理。測量不同鋼絲直徑下的最大撓度值，之后生成位移曲線，結果如表3 所示。

表3 鋼絲直徑-撓度表Tab.3 Wire diameter-deflection

如圖6 所示，在其他條件都不變的情況下，隨著刷毛直徑的增大，撓度值也隨之減小。

圖6 刷毛直徑-撓度曲線Fig.6 Bristle diameter-deflection curve

當鋼絲直徑＜0.6 mm 時，增大鋼絲直徑對撓度的影響較大；當鋼絲直徑＞0.6 mm 時，逐漸趨于平緩，增大鋼絲直徑對撓度的影響較小。鋼絲越細，在單位面積上可以排布較多的鋼絲，清洗效率較高，綜合考慮，鋼絲直徑選擇0.6 mm 刷削效果最佳。

2.3 刷絲長度的確定

對刷毛長度的仿真中，取70 號鋼，鋼絲直徑為0.6 mm，長度分別取20，30，40，50 mm。前處理與后處理與上一節相同，用同樣的方法分別測出當鋼絲長度為20，30，40，50 mm 的撓度值，見表4。

表4 鋼絲長度-撓度表Tab.4 Wire length-deflection

如圖7 所示，在其他條件都不變的情況下，隨著刷毛長度的增大，撓度值也隨之增大。仿真表明撓度與刷毛的長度成正比，與刷毛的直徑成反比，當刷毛越長，撓度越大，變形加大，硬度越低，刷削效果越差。故刷毛長度不宜過大，刷絲過短，加劇刷絲尖端磨損，綜合考慮將刷毛長度定義為50 mm。

圖7 刷毛長度-撓度曲線Fig.7 Bristle length-deflection curve

3 刷光實驗

3.1 試驗設計

刷光輥轉速和下壓量會明顯地影響到這種刷光機的刷光效果，而在刷光過程中，設置適當的刷削用量可高效地對導電棒進行清理，且節約了成本。本文試驗時設置的試驗樣機如圖8 所示。在結構設計中綜合考慮設置允許最大下壓量4 mm，壓下量過小，相應刷削力可能不足，無法有效清理導電棒表面的雜質。根據說明資料中的刷光輥轉速數據，直徑200 mm 的刷光輥許用轉速最大值為1200 r/min，考慮到這一因素，在保證安全基礎上，選擇其轉速分別為800 r/min 和1 000 r/min，相應的托輪轉速設置為100 r/min 。

圖8 導電棒刷光機試驗樣機Fig.8 Conductor rod brushing machine test prototype

3.2 刷光效果分析

刷光時間保持不變情況下，導電棒刷光前后結果對比如圖9 所示。分析此圖可知1-5 號導電棒表面污垢被有效地處理，不過6 號上殘留一些污垢。

圖9 導電棒刷光前、后對比圖Fig.9 Comparison of conductive rod before and after brushing

表5 顯示了刷光后其表面狀態相關情況。根據此表結果可知，這幾組試驗對應的污垢去除力都超其附著力，可滿足清除要求。具體觀察分析試樣的表面狀況可知，在清理后第2、4、5、6號導電棒表面產生一定燒傷現象。分析可知，在下壓量為4 mm 條件下，表面污垢可被有效清理，不過也導致出現導電棒表面損傷問題；下壓量保持一致，轉速越大則清理后的表面燒傷越明顯。溫度增加后表面氧化程度也會增加，較高溫度條件下還可能引發結晶體固化問題，難以有效清理。

表5 導電棒刷光后表面狀態Tab.5 Surface state of conductive rod after brushing

4 結論

由試驗結果可知，刷光輥轉速和壓入量對刷光質量會產生明顯影響。試驗對比結果表明，在刷光過程中，壓下量為3 mm 時條件下的刷光效果高于4 mm 時的。而在壓下量保持一致時，適當調節刷光輥轉速可更好地滿足導電棒表面污染清潔要求。不過轉速增加到一定幅度后，容易出現表面損壞的問題。可在以上仿真分析和試驗的基礎上，基本確定刷光機的結構和刷光參數，也就是壓入量為3 mm、轉速為600～800 r/min，在這種條件下可取得最好的清理效果。試驗結果也證明本次機器設計滿足要求，且據此確定合適的刷削參數，可對此類刷光機的設計提供參考。